(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＢＲレーザダイオードを制御する方法であって、該ＤＢＲレーザダイオードが、該レーザダイオードの光軸に沿って一列に並べられた能動領域および受動領域を含み、
前記レーザダイオードの前記能動領域が、光利得媒体を含み、
前記レーザダイオードの前記受動領域が、ＤＢＲ部を含み、
前記ＤＢＲ部が、さまざまな利用可能な取り得る発振モードの中からレーザ発光波長を選択するのに寄与するよう適合された、ブラッグ回折格子を含み、
前記受動領域の導波路部分が、前記選択された発光波長で光学的に受動であるように適合されたものであり、
前記ブラッグ回折格子が、前記ＤＢＲ部に沿って延在し、かつ前方格子部分および後方格子部分を含み、
前記ＤＢＲ部の前記前方格子部分が、前記ＤＢＲ部の前記後方格子部分よりも前記レーザダイオードの前記能動領域に近く、その結果、前記前方格子部分の、前記さまざまな利用可能な取り得る発振モードでの前記ＤＢＲ部の反射率への寄与が、前記後方格子部分の、前記さまざまな利用可能な取り得る発振モードでの前記ＤＢＲ部の反射率への寄与を上回り、かつ前記レーザダイオードにおける発振モードの選択が前記前方格子部分によって支配され、
前記ＤＢＲ部が、該ＤＢＲ部の前記前方格子部分に熱的に連結される前方加熱素子と、該ＤＢＲ部の前記後方格子部分に熱的に連結される後方加熱素子とを含み、
前記ＤＢＲ部の前記前方加熱素子および前記後方加熱素子が、前記ＤＢＲ部の別個の導波路部分に沿って配列され、
前記前方加熱素子を前記後方加熱素子とは無関係に制御して、前記選択された発光波長を調整し、
前記後方加熱素子を前記前方加熱素子とは無関係に制御して、前記ＤＢＲ部の反射スペクトルのスペクトル帯域幅を狭くし、
前記後方加熱素子をさらに制御して、マルチモードレーザ発光スペクトルを除去し、かつ発光スペクトルにおけるモードジャンプの大きさを２モード以下まで減少させることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記前方格子部分の、前記さまざまな利用可能な取り得る発振モードでの前記ＤＢＲ部の反射率への寄与が、前記後方格子部分の、前記さまざまな利用可能な取り得る発振モードでの前記ＤＢＲ部の反射率への寄与を上回ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記前方格子部分の、前記さまざまな利用可能な取り得る発振モードでの前記ＤＢＲ部の反射率への寄与が、前記後方格子部分の、前記さまざまな利用可能な取り得る発振モードでの前記ＤＢＲ部の反射率への寄与を、３ｄＢから８ｄＢ上回ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記前方加熱素子および前記後方加熱素子が、別個の加熱素子制御ノードによって線引きされた、共通の電気抵抗加熱素子の部分を形成していることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記前方加熱素子および前記後方加熱素子が、夫々少なくとも２つの別個の加熱素子制御ノードを含む、別個の電気抵抗加熱素子を形成していることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記前方加熱素子および前記後方加熱素子が、前記前方格子部分および前記後方格子部分を電流注入により加熱するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記ブラッグ回折格子が、１以上の追加の格子部分を前記前方格子部分および前記後方格子部分の間に含み、かつ前記ＤＢＲ部が、前記追加の格子部分に沿って配列された追加の加熱素子を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記前方加熱素子および前記後方加熱素子をさらに制御して、前記ＤＢＲ部の前記導波路部分に沿った屈折率の不均一性を低減するように前記ＤＢＲ部の前記導波路部分沿いの温度勾配を確立することを特徴とする請求項１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００９年４月１４日に出願された米国特許出願第１２／４２３，２２２号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザ、およびＤＢＲレーザを組み込んだ周波数変換レーザ光源に関する。より具体的には、本開示はＤＢＲレーザにおける波長制御を改善するとともに、周波数変換レーザ光源の安定かつ最大化された出力パワーを維持する、新たな設計および動作方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
本開示の種々の概念は、任意の特定部分の光スペクトルで動作するレーザに限定されるものではないが、本書では周波数が２逓倍された緑色レーザを参照することが多く、この場合レーザダイオード赤外線光源の波長が変動すると、典型的には、周波数変換された緑色の出力パワーが変動する。このような緑色パワーの変動は、レーザダイオードの波長の変化や、周波数変換レーザにおいて使用される波長変換素子―典型的にはＭｇＯ添加周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＭｇＬＮ）ＳＨＧ結晶、あるいは何らかの他の種類の波長変換素子―の比較的狭いスペクトル許容曲線に起因するものであることが多い。例えば前述の周波数変換レーザが走査プロジェクタにおいて使用される場合には、この緑色パワーの変動が、許容できない程の画像アーティファクトを生じさせる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
動作中、ＤＢＲレーザダイオードの発光波長を一定に維持することは困難な可能性がある。例えば、レーザダイオードの別個の部分沿いの熱的条件が変化すると、通常レーザダイオードの発光波長が変化する。こういった波長変化は、典型的には、レーザの発光スペクトル内に大きなモードホップとして、またはマルチモード発光スペクトルとして、あるいはこの両方として現れる。本開示の主題によれば、マルチモードスペクトルを除去しかつモードホッピングを軽減するのを助け、一方でレーザモジュール製造プロセスにおいて生産量を増加させる、ＤＢＲレーザ構造およびこれに対応する動作方法が提供される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一実施の形態によれば、特にＤＢＲレーザダイオードの波長を制御する方法が提供される。本方法によれば、前方および後方ＤＢＲ部加熱素子が独立して制御される。より具体的には、前方格子部分の、さまざまな利用可能な取り得る発振モードでのＤＢＲ部反射率への寄与が、後方格子部分の、さまざまな利用可能な取り得る発振モードでのＤＢＲ部反射率への寄与を上回ることから、ＤＢＲレーザダイオードは、発振モードの選択を前方格子部分で支配するように、そして前方ＤＢＲ部加熱素子を波長調整に使用するように制御することができる。
【０００６】
さらに、後方ＤＢＲ部加熱素子を制御して、ＤＢＲ反射スペクトルのスペクトル帯域幅を狭め、マルチモードレーザ発光スペクトルを除去し、かつ波長変化の大きさを減少させることができる。本開示のさらなる実施形態は、ＤＢＲレーザダイオードを含む周波数変換レーザ光源を制御するシステムおよび方法に関する。
【０００７】
本開示の具体的な実施形態に関する以下の詳細な説明は、以下の図面とともに読むと最も良く理解することができる。これらの図面において、同様の構造体は同じ参照符号で示す。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を組み込んだＤＢＲレーザダイオードを概略的に示す上面図
【図２】独立して制御される前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を含む、ＤＢＲレーザダイオードのＤＢＲ部を概略的に示す側面図
【図３】独立して制御される前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を含む、ＤＢＲレーザダイオードのＤＢＲ部を概略的に示す側面図
【図４】並列に制御される前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を含む、ＤＢＲレーザダイオードのＤＢＲ部を概略的に示す側面図
【図５】直列に制御される前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を含む、ＤＢＲレーザダイオードのＤＢＲ部を概略的に示す側面図
【図６】ＤＢＲレーザダイオードを組み込んだ周波数変換レーザ光源を示す一般的な概略図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
初めに図１および２を参照すると、レーザダイオード１０の能動領域２０および受動領域３０を参照してＤＢＲレーザダイオード１０の制御方法を説明することができる。一般に、レーザダイオード１０の能動領域２０および受動領域３０は、レーザダイオード１０の導波路１５の全長に亘るレーザダイオード１０の光軸に沿って一列に並べられる。能動領域２０は光利得媒体を含む。受動領域３０は、ＤＢＲ部４０および光位相制御部５０を含む。ＤＢＲ部４０は、レーザダイオード１０のさまざまな利用可能な取り得る発振モードの中からレーザ発光波長を選択するよう適合された、ブラッグ回折格子４５を含む。受動領域３０の導波路部分全体は、選択された発光波長で光学的に受動であるように適合されている。ブラッグ回折格子４５は、全体的に受動領域３０の導波路部分に沿って延在し、かつ、レーザダイオードの能動領域２０に近い前方格子部分４２とレーザダイオード１０の後方端面１２に近い後方格子部分４４とを含む。ＤＢＲ部４０およびブラッグ回折格子４５は、２セクションおよび３セクションＤＢＲレーザダイオードに関連した周知の部品であるため、図１および２では単に概略的に示す。
【００１０】
ＤＢＲ部４０は、ＤＢＲ部４０の別個の導波路部分に沿って配列された、前方加熱素子４６および後方加熱素子４８を含む。図２に概略的に示されているように、前方および後方加熱素子４６、４８は共通の電気抵抗加熱素子の部分を形成するものであり、別個の加熱素子制御ノード、すなわち前方制御ノードｆ、後方制御ノードｒ、および前方制御ノードｆと後方制御ノードｒとの間でこの共通の加熱素子沿いに設けられる共通制御ノードｃによって線引きされる。あるいは図３に示すように、前方加熱素子４６および後方加熱素子４８は、夫々少なくとも２つの別個の加熱素子制御ノードを含む、別個の電気抵抗加熱素子を形成するものでもよい。いずれの事例においても、前方加熱素子４６はＤＢＲ部４０の前方格子部分４２に熱的に連結され、そして後方加熱素子４８はＤＢＲ部４０の後方格子部分４４に熱的に連結される。
【００１１】
ＤＢＲ部４０の前方格子部分４２はＤＢＲ部４０の後方格子部分４４よりもレーザダイオードの能動領域２０に近いため、さまざまな利用可能な取り得る発振モードでのＤＢＲ部４０の反射率に対する前方格子部分４２の寄与は、ＤＢＲ部４０の反射率に対する後方格子部分４４の寄与を上回る。したがって、レーザダイオード１０における発振モードの選択は前方格子部分４２に支配され、また前方加熱素子４６を後方加熱素子４８とは無関係に制御して、選択された発光波長の調整を行うことができる。本開示の特定の実施形態においては、前方および後方加熱素子４６、４８を制御して、ＤＢＲ部４０における屈折率の非均一性を低減するようＤＢＲ部４０の導波路部分沿いの温度勾配を確立することができる。さらに、前方加熱素子４６とは無関係に後方加熱素子４８を制御してＤＢＲ部４０のスペクトル帯域幅を狭めることができ、マルチモードレーザ発光スペクトルを除去し、かつ発光スペクトルにおけるモードジャンプの大きさを１または２発振モードまで減少させることを可能にする。
【００１２】
本発明者らは、多くの光パッケージでは、特にＤＢＲレーザの加熱素子に適切に低い動作電圧を与えるという背景から、その制御フレームワークが比較的低い動作電圧に制限されていることを認識していた。したがって、図４に示した代替の実施形態を参照すると、ＤＢＲ部４０が電気的に並列に接続された前方および後方ＤＢＲ部加熱素子４６、４８を含むものであれば、前方および後方加熱素子４６、４８を並列に制御して、前方および後方加熱素子が直列に制御される場合（図５参照）に比べレーザダイオードの加熱素子電圧を減少させることができると意図されている。
【００１３】
ＤＢＲ部４０の反射率への前方格子部分４２の寄与は、ＤＢＲ部４０の反射率への後方格子部分４４の寄与を上回ることが好ましい。特定の実施形態において、ＤＢＲ部４０の反射率への前方格子部分４２の寄与は、ＤＢＲ部４０の反射率への後方格子部分４４の寄与を、約３ｄＢから約８ｄＢ上回る。
【００１４】
図示の実施形態において、前方および後方加熱素子４６、４８はＤＢＲ部４０内に一体化された共通のまたは別個の金属製薄膜ヒータを含むが、前方および後方加熱素子４６、４８は前方および後方格子部分４２、４４の温度を独立して制御できるものであれば、他にも取り得る構造が考えられる。例えば、電流注入を通じて前方および後方格子部分４２、４４を加熱するように、前方および後方加熱素子４６、４８を構成することができると意図されている。任意の事例において、前方ＤＢＲ部加熱素子４６は前方加熱素子制御電圧で制御することができ、そして後方ＤＢＲ部加熱素子４８は後方加熱素子制御電圧で制御することができる。さらに、ＤＢＲ部４０は、ＤＢＲ部４０の追加の別個の導波路部分に沿って配列される、追加の加熱素子を含み得ると意図されている。
【００１５】
ＤＢＲレーザダイオード１０は、位相制御部５０を有する２セクションＤＢＲレーザダイオードまたは３セクションＤＢＲレーザダイオードを含んでもよい。ＤＢＲレーザダイオード１０が位相制御部５０を含む場合、ブラッグ回折格子４５、能動領域２０の利得媒体、そして前方および後方加熱素子４６、４８は、夫々位相制御部５０の外側に設置されるべきである。
【００１６】
図６は、ＤＢＲレーザダイオード１０、波長変換素子６０、カップリング光学素子７０、コリメート光学素子８０、および出力カラーフィルタ９０を含む、周波数変換レーザ光源１００の概略図である。図示の実施形態においては、ＤＢＲレーザの出力光、例えば赤外光を、カップリング光学素子７０、例えば２つの非球面レンズを用いて、波長変換素子６０、例えばＳＨＧ結晶のＰＰＭｇＬＮ導波路に結合することができる。ＳＨＧ結晶において生成された緑色光と、残存する赤外励起光を、コリメート光学素子８０でコリメートし、さらに残存する赤外光をカラーフィルタ９０で除去することができる。
【００１７】
本開示は、利得部、位相部、およびＤＢＲ部を含む、端面発光型３セクションＤＢＲレーザを利用する周波数変換レーザ構造について説明しているが、本開示の概念は、端面発光レーザ、垂直共振器面発光レーザ、そして位相部を含み得るまたは含み得ないＤＢＲ構造、を含めた、種々の周波数変換レーザ構造に適用可能であることに留意されたい。さらに、種々の波長変換素子が提供され得ると意図されており、例えば、第２高調波発生（ＳＨＧ）を超える変換用に構成されたものが含まれる。本開示の概念は、レーザ走査プロジェクタに加え、種々の用途にも適用可能である。
【００１８】
図１および２に示したものに類似したＤＢＲレーザの前方および後方加熱素子に対する評価結果によれば、波長調整が前方加熱素子に支配され得ることが説明され、この前方加熱素子は、より高効率を意図すると、２５℃で最大１５．５ｎｍ／Ｗ、６０℃で最大１６．８ｎｍ／Ｗの波長可変効率を少なくとも実現可能であると考えられる。４．７Ｖのヒータ電圧に対し、２５℃および６０℃で夫々少なくとも６．９ｎｍおよび７．３ｎｍの可変範囲もまた意図されている。後方加熱素子の熱的および電気的特性は典型的には前方加熱素子と類似しているが、発振モードの選択は前方格子部分に支配される。しきい値未満で測定された反射および透過スペクトルによれば、後方加熱素子の動作中、可変範囲を約１ｎｍから約６ｎｍまで増加させた状態で、後方格子部分の反射は前方格子部分よりも３〜８ｄＢ低いことが示される。前方加熱素子の動作中、前方格子部分の反射が後方格子部分よりも高いものであれば、調整された前方格子部分によって発振モードは選択される。
【００１９】
波長の調整に前方加熱素子を使用すると、波長可変効率を２倍とし、電力消費を少なくとも４０％削減し、さらに必要な電流および電圧レベルを著しく減少させることが可能であることが、出力パワー測定およびレーザ評価により示される。さらに、前方および後方加熱素子を独立して制御するＤＢＲレーザダイオードの出力は、より狭いＤＢＲの３ｄＢ反射帯域幅、および、３ｄＢ帯域幅内でより少ない数の縦モードを呈すると意図されている。
【００２０】
本書において説明した手法で前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を使用するＤＢＲレーザの評価結果によれば、モードジャンプのパターンは主に後方加熱素子で制御可能であり、一方波長可変範囲は前方加熱素子で制御可能であることが示される。ＤＢＲ反射スペクトルのサイドローブは除去することができる。後方加熱素子を制御することで、マルチモード発光スペクトルを除去し、かつ広範囲の利得電流に亘って単一モードの発光スペクトルを提供することができる。同様に広範囲の利得電流に亘って、４０ｄＢ以上のオーダーの典型的なサイドモード抑制が意図されている。後方加熱素子は、連続波発振動作および波長回復動作の両動作中、種々の波長可変範囲でモードジャンプの大きさを減少させるためにも使用することができ、これらについては米国特許出願公開第２００８／００８９３７３号明細書および同第２００８／００８９３７０号明細書において説明されている。レーザの製造および選択において、こういった種類のスペクトル改善を使用すれば、特定のレーザのステータスを「拒絶」から「許容」に転換させることができる。
【００２１】
前述のスペクトル改善は、前方および後方ＤＢＲ部加熱素子を使用しているＤＢＲ部に沿って生成される温度勾配に起因し得るものであると意図されている。この温度勾配を使用して、ＤＢＲ部の光路に沿った不均一性、すなわち、屈折率、温度、回折格子ピッチ、回折格子のデューティサイクル、回折格子形状、ＤＢＲ部損失、反射などの不均一性を低減することができる。サブマウントが引き起こす応力により生じる屈折率の不均一性が、スペクトルの欠陥の主な発端であることは既に証明されている。上述のスペクトル改善は、後方格子部分の反射帯域に引き起こされる長波長側へのシフトにも起因し得うるものであり、これにより前方格子部分の反射帯域とより良く重複させることができる。
【００２２】
特定の特性を具象化するために、あるいは特定の様態で機能するために、特定の様式で「構成」された本開示の構成要素に関する本書での記述は、構造的記述であり、目的とする用途に関する記述とは対照的なものであることに留意されたい。より具体的には、ある構成要素が「構成」される様態を本書において参照する際には、その構成要素の現存の物理的条件を意味し、したがってその構成要素の構造的特徴の明確な記述として受け止められるべきである。
【００２３】
「好適に」、「一般に」、および「典型的には」といったような用語が本書において使用されるとき、これらの用語の使用は、請求される本発明の範囲を限定するためのものではないし、あるいは、請求される本発明の構造または機能にとって特定の特徴が重大であるとか、本質的であるとか、または重要であるということさえ意味するためのものではないことに留意されたい。むしろこれらの用語は、本開示の一実施の形態の特定の態様を識別すること、あるいは、本開示の特定の実施形態において利用され得るまたは利用され得ない、代わりのまたは追加の特徴を強調することを単に意図したものである。
【００２４】
本発明を説明および画成するために、「略」という用語は本書において、任意の定量比較、値、寸法、または他の表現に起因し得る固有の不確実さの程度を表すために使用されることに留意されたい。この「略」という用語は本書において、定量的表現が、論じられている主題の基本機能を変化させることなく、記述した基準から変化し得る程度を表すためにも使用される。
【００２５】
本開示の主題について、詳細にかつその具体的な実施形態を参照して説明してきたが、添付の請求項により画成される本発明の範囲から逸脱することなく、変更形態および変形形態が考えられることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様は本書において好適または特に有用であると識別されているが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されるものではないと意図されている。
【００２６】
１以上の以下の請求項は、伝統的な表現として「ことを特徴とする」という用語を使用していることに留意されたい。本発明を画成するために、この用語は、構造に関する一連の特徴の記述を紹介するために使用される、オープンエンドの伝統的表現として請求項に導入されたものであり、また、より一般的に使用されているオープンエンドの前文の用語「ことを含む」と同じように解釈されるべきであることに留意されたい。
【符号の説明】
【００２７】
１０    レーザダイオード
１５    導波路
２０    能動領域
３０    受動領域
４０    ＤＢＲ部
４２    前方格子部分
４４    後方格子部分
４５    ブラッグ回折格子
４６    前方ＤＢＲ部加熱素子
４８    後方ＤＢＲ部加熱素子
５０    位相制御部
【図１】
0005687689.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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